Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /nano-data/main/resources.obj.php:5902) in /nano-data/main/resources.obj.php on line 5089
Углеродное чудо: Новые области использования УНТ
Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Нанотрубка.
Нанотрубочный войлок.
Логика (граф).
Диод.
Сеть.
Наноробот.
Клетки.

Углеродное чудо: Новые области использования УНТ

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Демидов Роман Алексеевич

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

12 июня 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Углеродное чудо, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" корпорацией Байер (Bayer MaterialScience). Автор: Демидов Роман Алексеевич

Мы живем в очень интересное время. В конце 20 века,с его войнами,великими открытиями и событиями произошло резкое увеличение тепов научно-технического прогресса.Этот процесс мы наблюдаем и сейчас.Буквально на наших глазах происходит невиданный скачок в технологиях,причем тенденция к их изменению заметна невооружнным глазом-это стремление технологии в сторону уменьшения размеров,причем повсеместно. Судите сами: каждый год сменяется архитектура процессоров в ПК,а именно размерность структурных элементов,которая берет все новые рекорды по малости.Сейчас она дошла до отметки в 45 нанометров.Или уменьшение структурных элементов в композитах для повышения нужных свойств в области электропроводимости,упругости,твердости,что используется в авиастроении,в новых образцах вооружений,в прикладном материаловедении.Это лишь некоторые,не самые выдающиеся примеры.Уже понятно,что в 21 веке нас ждет новая научно-техническая революция,наподобие той,которая произошла в Европе в 20 веке.Она будет характеризоваться качественным и всеобъемлющим рывком во всех областях техники и технологий-от медицины и биотехнологий до материаловедения,искусственного интеллекта и экологии.О чем идет речь? Конечно же,о нанотехнологиях.

Нанотехнология-это настолько всеобъемлющая наука,что в ней даже нельзя выделить главное направление ее исследований.Это скорее сплав всех естественнонаучных дисциплин.Но главные ее разделы,содержащие в себе огромный потенциал для развития, мы можем выделить.Одним из таких разделов предстают нам новые формы углерода,вещества,на основе которого основана существующая форма жизни на Земле,такие,как фуллерены и углеродные нанотрубки(далее УНТ).О последних и пойдет речь.

УНТ-это особая форма углерода,которая является одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивается обычно полусферической головкой.По официальной информации,впервые УНТ были исследованы в 1991 году японцем Ииджимой,который изучал их многослойный вариант.Но есть свидетельства,говорящие о том,что УНТ были открыты и исследованы намного раньше,а именно в середине 20 века.В 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования не были продолжены,хотя были,как уже теперь понятно,на редкость перспективными.

В чем же их особенности?Особенности в потрясающих свойствах,как механических,так и физико-химических.В зависимости от электронной модификации УНТ она может резко менять свою электропроводность,причем радикально .Так, их полупроводниковая модификация является прямозонным полупроводником,т.е полупроводником, в котором происходит рекомбинация p и n носителей тока с испусканием фотона.Эта их модификация может использоваться как один из элементов базы в оптоэлектронике.Но намного интереснее сверхпроводимость УНТ.Она была открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:

  • отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм;
  • свёрнутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок;
  • также индивидуальных многослойных нанотрубок.

Ток,наведенный внутри нанотрубки,свернутой в бублик,может гулять по кругу долгие годы.Характер переноса зарядов в УНТ отличается однонаправленностью,что отличает ее от обычных полупроводников,где степень свободы зарядов по осям = 3.При изменении геометрических свойств нанотрубок,например,при замене в процессе роста нанотрубки одного из углеродных шестиугольников пяти- или семиугольником,из-за чего образуется “надлом” трубки,изменяются и их электропроводные свойства. Из-за этого можно получить нанотрубки с постоянно меняющейся электропроводностью без потенциального барьера между частями. УНТ отличаются чрезвычайной упругостью,что позволяет получать материалы со свойствами,неподвластными обычному веществу.Модуль Юнга для нанотрубок на несколько порядков превосходит лучшие образцы стали.Благодаря механическим свойствам нанотрубок стала возможна реализация широко известного проекта “Космического лифта”,а также производство сверхпрочных нитей,материалов.

О свойствах этой группы материалов можно говорить очень долго.Мне бы хотелось остановиться на новых областях,в которых можно использовать УНТ. Совершенно очевидно,что областей применения нанотрубок с их свойствами-безграничное количество,но наиболее перспективные из них требуют особого внимания.

1.Искусственный интеллект в кибернетике и управлении нанустройств.

С середины 20 века,когда появились первые концепции искусственный нейронных сетей,прошло полвека.За это время эта прикладная наука достигла серьезных успехов.Сейчас ее можно разделить на 3 основных направления исследований:искусственные нейронные сети,генетические алгоритмы и нечеткая логика. Первые основаны на модели естественных нейронных сетей,которые позволяют человеческому мозгу обрабатывать информацию и решать сложные задачи(распознавание изображений,лиц людей,предметов,представление о предмете на основе словесного описания,обработка речи и т.д.) быстрее компьютеров на порядки.Нейрокомпьютер — устройство переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем,должен конкурировать с обычным компьютером,построенным на нынешней архитектуре,именно в таких задачах.Первыми нейрокомпьютерами были перцептроны Розенблатта Марк-1 (1958) и Тобермори (1964), а также Адалайн, разработанный Уидроу.Доволнительный импульс развитию нейрокомпьютеров дали теоретические разработки 1980х годов по теории нейронных сетей (сети Хопфилда, сети Кохонена, метод обратного распространения ошибки).В настоящее время ИНС используются в алгоритмах управления ракетами,беспилотными летательными аппаратами в реальном времени,в расчетах валютных рынков типа Forex, опять же, в реальном времени, в распознавании изображений, текста,предметов,лиц речи.Существуют аппаратная и программная реализации НС.

Нечеткая логика(НЛ)-раздел математики, являющийся обобщением классической логики и теории множеств,которая допускает в качестве меры принадлежности элемента множеству не только 0 и 1(принадлежит/не принадлежит),но любые числа из интервала (0,1).НЛ применяется в управлении роботами,в ориентации их в пространстве,обхождении ими препятствии,оптимизации пути,оенке окружающей обстановки.НЛ активно пименяется на практике. Генетические алгоритмы используются в вычислительных алгоритмах,и основаны на методах естественной биологической эволюции.В нашем случае они интереса не представляют,т.к. предназначены для решения других задач.

На первый взгляд,причем тут нанотрубки?На самом деле,их применение очень велико.Одим из направлений нанотехнологий является наноэлектомеханика.В будущих моделях нанороботов ,очевидно,будут применяться технологии искусственного интеллекта для решения распространенных задач-ориентация в пространстве,распознавании объектов окр.среды,управлении полетом,вооружением.УНТ могут,и должны использоваться как элементы искусственных нейронных сетей,именно в аппаратной реализации,из-за своих основных свойств-размеров,позволяющих использовать их на наноуровне,электрических свойств,о которых было рассказано выше(возможность конструировать сложные электрические наноцепи,состоящие из нано- резисторов,диодов,транзисторов для сборки наноцепи в требуемыми параметрами),сверхпроводимости(что обеспечит колоссальное быстродействие нашей нейросети),механеской упругости(что скажется на устойчивости нашей конструкции),защищенность от помех(из-за геометрических свойств нанотрубок).В идеале мы получаем малую наноразмерную,сверхбыструю,помехоустойчивую сеть,пригодную для решения поставленных задач.Такую сеть по аналогии можно было бы сделать программной,но тут не идет ни в какое сравнение скорость вычислений,что,очевидно,важно,особенно в военном применении.Для хорошей реализации нечетких алгоритмов требуется высокая скорость обработки нечетких правил в реальном времени.Т.к. характер вычислений в основном линейный, для аппаратого вычисления из-за своих размеров,структуры и быстродействия можно использовать УНТ.

Нанотрубки оказались полезыми на стыке 2 высокотехнологичных дисциплин-нанотехнологий и искусственного интеллекта. Таким образом,для управления наноразмерными устройствами УНТ походят как нельзя лучше.Использование нанотрубок в таких устройствах не только хорошо с технической точки зрения,но и с (.) зрения прибыли,ведь реализация вычислений такого же быстродействия на наноустройствах без использования УНТ увеличит затраты до 2 раз,т.к потребуется использовать либо программную реализацию,либо опираться на традиционную архитектуру вычислений,что еще больше удорожит проект. Использоваться все это будет уже в недалеком будущем,ведь о первых успехах в области НЭМС уже известно.Применение же нанороботов огромно-это в первую очередь медицина,военное применение,защита окружающей среды и т.д.

2.УНТ в нейрохирургии.

Нейрохирургия-одна из самых сложных областей медицины,потому что здесь идет речь об операции на самом сложно устроенном органе человека-мозге.Иногда случается,что в результате травм некоторые участки мозга перестают работать.Так как мозг-это гигантский нейрокомпьютер,поврежденные участки мозга можно было бы в будущем заменять искусственной нейронной сетью,построенной с использованием УНТ.Хотя сама по себе НС помехоустойчива,в нейрохирургии,если считать мозг нейрокомпьютером,даже малейшее отклонение от правильной работы заметно(речь идет о нарушениях мозговой деятельности,психических заволеваниях,травмах и т.д.)Поэтому чрезвычайно важно восстанавливать работу мозга во всем его потенциале.Аналогов имплантантам на нейронных сетях нет.В будущем эта проблема нейрохирургии только усилится.Думаю,с точки зрения практического применения и ликвидности этот проект будет очень востребованным и выгодным.Первые образцы имплантантов можно было бы сделать уже сейчас.Насколько я знаю,подразделение компании “Байер”,”Bayer HealthCare AG”,занимается разработкой продуктов для лечения и профилактики заболеваний.Возможно,это решение будет интересным для этой компании.

3.УНТ в энергетике

Механические и геометрические свойства нанотрубок позволяют находить им самое неожиданное применение.Благодаря цилиндрическому устройству молекул внутри цилиндров образуется достаточно много пространства.Почему бы его не использовать для хранения вещества?Водород,один из самых перспективных новых видов топлива,имеет самый маленький атомный радиус.Для его хранения можно было бы использовать УНТ большого диаметра.Тогда оболочка нанотрубки могла бы безопасно хранить водород длительный промежуток времени,и отдавать его по мере необходимости.Главные преимущества-возможность синтезировать нанотрубку нужного диаметра и длины,хорошая защита водорода внутри трубки,достигаемая высокая плотность хранения водорода благодаря высокой упругости и симметричности нанотрубок.Для более плотной упаковки и более безопасного хранения водорода возможно использование многослойных УНТ.

По аналогии с водородом в нанотрубках большого диаметра можно хранить радиоактивные отходы работы промышленных ядерных и термоядерных реакторов-продукты деления или продукты синтеза.в таком виде радиоактивные изотопы становятся более безопасными для дальнейшего захоронения.Также нанотрубки удобно использовать для радиационной защиты.В наше время аналоги этому решению есть,ноони не защищают,а уменьшают воздействие радиации.А проблема захоронения радиоактивных отходов пока не нашла своего решения.Поэтому эт решение может принести неплохую прибыль,т.к. оно не имеет пока приемлемых аналогов. Это лишь малая часть из тех областей,в которых применение УНТ дает поразительные результаты.Думаю,с течением времени мы услышим о новых грандиозных открытиях,с ними связанных... .На нашем факультете ведутся работы в этой и смежных областях.Было бы прекрасно,если бы компания,подобная по масштабу исследований наноматериалов компании “Байер”,появилась бы и в России.(Автор-Демидов Роман)

Прикрепленные файлы:
demidov.doc (288.00 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 8.5 (голосов 2)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Тетраподы ZnO
Тетраподы ZnO

В Томске названы победители конкурса «ШУСТРИК»
18 мая 2017 года на IV Форуме молодых ученых U-Novus в Томске были объявлены победители VII Всероссийского конкурса детских научно-технических проектов «ШУСТРИК». В конкурсе приняло участие более 240 школьников в возрасте от 8 до 18 лет из 35 регионов России.

Пресс - служба МГУ: В МГУ разработали новую стратегию получения перовскитных солнечных ячеек
Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах при участии коллег с химического факультета МГУ разработали новый метод, позволяющий получать высококристалличные пленки органо-неорганических перовскитов для солнечных ячеек. Результаты работы опубликованы в журнале Materials Horizons.

NT-MDT Spectrum Instruments на выставке ISPM Kyoto 2017
NT-MDT Spectrum Instruments продолжает принимать участие в Международной конференции по Сканирующей Зондовой Микроскопии (International Scanning Probe Microscopy conference). В этом году 19-я по счету конференция проходит в Киото, Япония с 15 по 19 Мая.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

XIX Весенняя научная школа МГУ

Разыскиваются юные технари, химики и математики!
Во время весенних каникул с 27 марта по 2 апреля в Подмосковье пройдет Весенняя школа МГУ "ЛАНАТ". В программе школы практикумы по математике, химии, биологии, программированию, электронике.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.